js执行机制

Dear 丶 2022-05-29 01:14 185阅读 0赞

# js执行机制 #

参考资料：

*  [深入理解JavaScript运行机制][JavaScript]
 *  [10分钟理解JS引擎的执行机制][10_JS]
 *  [JavaScript 运行机制详解：深入理解Event Loop][JavaScript _Event Loop]
 *  [javascript执行机制][javascript]

想要理解JavaScript的运行机制，需要分别深刻理解以下几个点：

*  JavaScript的单线程机制
 *  任务队列（同步任务和异步任务）
 *  事件和回调函数
 *  定时器
 *  Event Loop（事件循环）

## JavaScript的单线程机制 ##

JavaScript的一个语言特性（也是这门语言的核心）就是**单线程**。单线程简单地说就是**同一时间只能做一件事**，当有多个任务时，只能按照一个顺序一个完成了再执行下一个。

JavaScript的单线程与它的语言用途是有关的。作为一门浏览器脚本语言，JavaScript的主要用途是完成用户交互、操作DOM。这就决定了它只能是单线程，否则会导致复杂的同步问题。

> 设想JavaScript同时有两个线程，一个线程需要在某个DOM节点上添加内容，而另一个线程的操作是删除了这个节点，那么浏览器应该以谁为准呢？

所以为了避免复杂性，JavaScript从诞生起就是单线程。

> 为了提高CPU的利用率，HTML5提出Web Worker标准，允许JavaScript脚本创建多个线程，但是子线程完全受主线程控制，且不得操作DOM。所以这个标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

## 任务队列 ##

一个接一个地完成任务也就意味着待完成的任务是需要排队的，那么为什么会需要排队呢？

通常排队有以下两种原因：

*  任务计算量过大，CPU处于忙碌状态；
 *  任务所需的东西未准备好所以无法继续执行，导致CPU闲置，等待输入输出设备（I/O设备）。

> 比如有的任务你需要Ajax获取到数据才能往下执行

由此JavaScript的设计者也意识到，这时完全可以先运行后面已经就绪的任务来提高运行效率，也就是把等待中的任务先挂起放到一边，等得到需要的东西再执行。就好比接电话时对方离开了一下，这时正好有另一个来电，于是你便把当前通话挂起，等那个通话结束后，再连回之前的通话。

所以也就出现了同步和异步的概念，任务也被分成了两种，一种是同步任务（Synchronous），另一种是异步任务（Asynchronous）。

*  同步任务：需要执行的任务在主线程上排队，一个接一个，前一个完成了再执行下一个
 *  异步任务：没有马上被执行但需要执行的任务，存放在“任务队列”（task queue）中，“任务队列”会通知主线程什么时候哪个异步任务可以执行，然后这个任务就会进入主线程并被执行。

> 所有的同步执行都可以看作是没有异步任务的异步执行

具体来说，异步执行如下：

*  （1）所有同步任务都在主线程上执行，形成一个**执行栈**（execution context stack）。

> 也就是所有能被马上执行的任务都在主线程上排好了队，一个接一个的被执行。

*  （2）主线程之外，还存在一个“任务队列”（task queue）。只要异步任务有了运行结果，就在“任务队列”之中放置一个事件。

> 也就是说每个异步任务准备好了就会立一个唯一的flag，这个flag用来标识对应的异步任务。

*  （3）一旦“执行栈”中的所有同步任务执行完毕，系统就会读取“任务队列”，看看里面有哪些事件。那些对应的异步任务，就结束等待状态，进入执行栈开始被执行。

> 也就是主线程把之前的任务做完了之后，就会来看“任务队列”中的flag，来把对应的异步任务打包来执行。

*  （4）主线程不断重复以上三步。

> 只要主线程空了，就会去读取“任务队列”。这个过程会被不断重复，这就是JavaScript的运行机制。

那怎么知道主线程执行栈为空啊？js引擎存在monitoring process进程，会持续不断的检查主线程执行栈是否为空，一旦为空，就会去Event Queue那里检查是否有等待被调用的函数。

下面用一张导图来说明主线程和任务队列。

![format_png][]

导图要表达的内容用文字来表述的话：

*  同步和异步任务分别进入不同的执行"场所"，同步的进入主线程，异步的进入Event Table并注册函数。
 *  当指定的事情完成时，Event Table会将这个函数移入Event Queue。
 *  主线程内的任务执行完毕为空，会去Event Queue读取对应的函数，进入主线程执行。
 *  上述过程会不断重复，也就是常说的Event Loop(事件循环)。

## 事件和回调函数 ##

### 事件 ###

“任务队列”是一个事件的队列（也可以理解成是消息的队列），IO设备完成一项任务，就会在“任务队列”中添加一个事件，表示相关的异步任务可以进入“执行栈”。接着主线程读取“任务队列”，查看里面有哪些事件。

“任务队列”中的事件，除了IO设备的事件以外，还包括一些用户产生的事件（比如鼠标点击、页面滚动等等）。只要指定过回调函数，这些事件发生时就会进入“任务队列”，等待主线程读取。

### 回调函数 ###

所谓“回调函数”（callback），就是那些会被主线程挂起来的代码。异步任务必须指定回调函数，当主线程开始执行异步任务，就是执行对应的回调函数。

“任务队列”是一个先进先出的数据结构，排在前面的事件，优先被主线程读取。主线程的读取过程基本上是自动的，只要执行栈一清空，“任务队列”上第一位的事件就自动进入主线程。但是，如果包含“定时器”，主线程首先要检查一下执行时间，某些事件只有到了规定的时间，才能返回主线程。

## Event Loop ##

主线程从“任务队列”中读取事件，这个过程是循环不断的，所以整个的运行机制又称为“Event Loop”（事件循环）。

为了更好地理解Event Loop，下面参照Philip Roberts的演讲中的一张图。

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tKOTCzwT-1597113113524)(http://o6fy6cx7i.bkt.clouddn.com/bg2014100802.png)\]

上图中，主线程在运行时，产生了heap（堆）和stack（栈），栈中的代码调用各种外部API，并在“任务队列”中加入各种事件（click，load，done）。当栈中的代码执行完毕，主线程就会读取“任务队列”，并依次执行那些事件所对应的回调函数。

执行栈中的代码（同步任务），总是在读取“任务队列”（异步任务）之前执行。

let data = [];
    $.ajax({
    url:www.javascript.com,
    data:data,
    success:() => {
    console.log('发送成功!');
    }
    })
    console.log('代码执行结束');

上面是一段简易的`ajax`请求代码：

*  ajax进入Event Table，注册回调函数`success`。
 *  执行`console.log('代码执行结束')`。
 *  ajax事件完成，回调函数`success`进入Event Queue。
 *  主线程从Event Queue读取回调函数`success`并执行。

## 定时器 ##

除了放置异步任务的事件，“任务队列”还可以放置定时事件，即指定某些代码在多少时间之后执行。这叫做定时器（timer）功能，也就是定时执行的代码。

`SetTimeout()`和`setInterval()`可以用来注册在指定时间之后单次或重复调用的函数，它们的内部运行机制完全一样，区别在于前者指定的代码是一次性执行，后者会在指定毫秒数的间隔里重复调用:

setInterval(updateClock, 60000); //60秒调用一次updateClock()

因为它们都是客户端JavaScript中重要的全局函数，所以定义为Window对象的方法。

> 但作为通用函数，其实不会对窗口做什么事情。

Window对象的`setTImeout()`方法用来实现一个函数在指定的毫秒数之后运行。所以它接受两个参数，第一个是回调函数，第二个是推迟执行的毫秒数。 `setTimeout()`和`setInterval()`返回一个值，这个值可以传递给`clearTimeout()`用于取消这个函数的执行。

console.log(1);
    setTimeout(function(){console.log(2);}, 1000);
    console.log(3);

上面代码的执行结果是1，3，2，因为`setTimeout()`将第二行推迟到1000毫秒之后执行。

如果将`setTimeout()`的第二个参数设为0，就表示当前代码执行完（执行栈清空）以后，立即执行（0毫秒间隔）指定的回调函数。

setTimeout(function(){console.log(1);}, 0);
    console.log(2)

上面代码的执行结果总是2，1，因为只有在执行完第二行以后，系统才会执行“任务队列”中的回调函数。

总之，`setTimeout(fn,0)`的含义是，指定某个任务在主线程最早可得的空闲时间执行，也就是尽可能早地执行。它在“任务队列”的尾部添加一个事件，因此要等到同步任务和“任务队列”现有的事件都处理完，才会得到执行。

> HTML5标准规定了`setTimeout()`的第二个参数的最小值（最短间隔），不得低于4毫秒，如果低于这个值，就会自动增加。

需要注意的是，`setTimeout()`只是**将事件插入了“任务队列”**，必须等到当前代码（执行栈）执行完，主线程才会去执行它指定的回调函数。要是当前代码耗时很长，有可能要等很久，所以并没有办法保证回调函数一定会在`setTimeout()`指定的时间执行。

由于历史原因，`setTimeout()`和`setInterval()`的第一个参数可以作为字符串传入。如果这么做，那这个字符串会在指定的超时时间或间隔之后进行求值（相当于执行`eval()`）。

## Node.js的Event Loop ##

Node.js也是单线程的Event Loop，但是它的运行机制不同于浏览器环境。

Node.js的运行机制如下。

*  （1）V8引擎解析JavaScript脚本。
 *  （2）解析后的代码，调用Node API。
 *  （3）[libuv库][libuv]负责Node API的执行。它将不同的任务分配给不同的线程，形成一个Event Loop（事件循环），以异步的方式将任务的执行结果返回给V8引擎。
 *  （4）V8引擎再将结果返回给用户。

除了setTimeout和setInterval这两个方法，Node.js还提供了另外两个与"任务队列"有关的方法：[process.nextTick][]和[setImmediate][]。它们可以帮助我们加深对"任务队列"的理解。

process.nextTick方法可以在当前"执行栈"的尾部----下一次Event Loop（主线程读取"任务队列"）之前----触发回调函数。也就是说，它指定的任务总是发生在所有异步任务之前。setImmediate方法则是在当前"任务队列"的尾部添加事件，也就是说，它指定的任务总是在下一次Event Loop时执行，这与setTimeout(fn, 0)很像。请看下面的例子

process.nextTick(function A() {
    console.log(1);
    process.nextTick(function B(){console.log(2);});
    });
    setTimeout(function timeout() {
    console.log('TIMEOUT FIRED');
    }, 0)
    // 1
    // 2
    // TIMEOUT FIRED

上面代码中，由于process.nextTick方法指定的回调函数，总是在当前"执行栈"的尾部触发，所以不仅函数A比setTimeout指定的回调函数timeout先执行，而且函数B也比timeout先执行。这说明，如果有多个process.nextTick语句（不管它们是否嵌套），将全部在当前"执行栈"执行。

现在，再看setImmediate。

setImmediate(function A() {
    console.log(1);
    setImmediate(function B(){console.log(2);});
    });
    setTimeout(function timeout() {
    console.log('TIMEOUT FIRED');
    }, 0);

上面代码中，setImmediate与setTimeout(fn,0)各自添加了一个回调函数A和timeout，都是在下一次Event Loop触发。那么，哪个回调函数先执行呢？答案是不确定。运行结果可能是1–TIMEOUT FIRED–2，也可能是TIMEOUT FIRED–1--2。

令人困惑的是，Node.js文档中称，setImmediate指定的回调函数，总是排在setTimeout前面。实际上，这种情况只发生在递归调用的时候。

setImmediate(function (){
    setImmediate(function A() {
    console.log(1);
    setImmediate(function B(){console.log(2);});
    });
    setTimeout(function timeout() {
    console.log('TIMEOUT FIRED');
    }, 0);
    });
    // 1
    // TIMEOUT FIRED
    // 2

上面代码中，setImmediate和setTimeout被封装在一个setImmediate里面，它的运行结果总是1–TIMEOUT FIRED–2，这时函数A一定在timeout前面触发。至于2排在TIMEOUT FIRED的后面（即函数B在timeout后面触发），是因为setImmediate总是将事件注册到下一轮Event Loop，所以函数A和timeout是在同一轮Loop执行，而函数B在下一轮Loop执行。

我们由此得到了process.nextTick和setImmediate的一个重要区别：多个process.nextTick语句总是在当前"执行栈"一次执行完，多个setImmediate可能则需要多次loop才能执行完。事实上，这正是Node.js 10.0版添加setImmediate方法的原因，否则像下面这样的递归调用process.nextTick，将会没完没了，主线程根本不会去读取"事件队列"！

process.nextTick(function foo() {
    process.nextTick(foo);
    });

事实上，现在要是你写出递归的process.nextTick，Node.js会抛出一个警告，要求你改成setImmediate。

另外，由于process.nextTick指定的回调函数是在本次"事件循环"触发，而setImmediate指定的是在下次"事件循环"触发，所以很显然，前者总是比后者发生得早，而且执行效率也高（因为不用检查"任务队列"）。

## Promise ##

除了广义的同步任务和异步任务，任务还有更精细的定义：

*  macro-task(宏任务)：包括整体代码script，setTimeout，setInterval
 *  micro-task(微任务)：Promise，process.nextTick

事件循环，宏任务，微任务的关系如图所示：

![format_png 1][]

按照宏任务和微任务这种分类方式，JS的执行机制是

*  执行一个宏任务,过程中如果遇到微任务,就将其放到微任务的【事件队列】里
 *  当前宏任务执行完成后,会查看微任务的【事件队列】,并将里面全部的微任务依次执行完

请看下面的例子：

setTimeout(function(){
    console.log('定时器开始啦')
    });
    
    new Promise(function(resolve){
    console.log('马上执行for循环啦');
    for(var i = 0; i < 10000; i++){
    i == 99 && resolve();
    }
    }).then(function(){
    console.log('执行then函数啦')
    });
    
    console.log('代码执行结束');

*  首先执行script下的宏任务,遇到setTimeout,将其放到宏任务的【队列】里
 *  遇到 new Promise直接执行,打印"马上执行for循环啦"
 *  遇到then方法,是微任务,将其放到微任务的【队列里】
 *  打印 “代码执行结束”
 *  本轮宏任务执行完毕,查看本轮的微任务,发现有一个then方法里的函数, 打印"执行then函数啦"
 *  到此,本轮的event loop 全部完成。
 *  下一轮的循环里,先执行一个宏任务,发现宏任务的【队列】里有一个 setTimeout里的函数,执行打印"定时器开始啦"

所以最后的执行顺序是【马上执行for循环啦 — 代码执行结束 — 执行then函数啦 — 定时器开始啦】

我们来分析一段较复杂的代码，看看你是否真的掌握了js的执行机制：

console.log('1');
    
    setTimeout(function() {
    console.log('2');
    process.nextTick(function() {
    console.log('3');
    })
    new Promise(function(resolve) {
    console.log('4');
    resolve();
    }).then(function() {
    console.log('5')
    })
    })
    process.nextTick(function() {
    console.log('6');
    })
    new Promise(function(resolve) {
    console.log('7');
    resolve();
    }).then(function() {
    console.log('8')
    })
    
    setTimeout(function() {
    console.log('9');
    process.nextTick(function() {
    console.log('10');
    })
    new Promise(function(resolve) {
    console.log('11');
    resolve();
    }).then(function() {
    console.log('12')
    })
    })

第一轮事件循环流程分析如下：

*  整体script作为第一个宏任务进入主线程，遇到`console.log`，输出1。
 *  遇到`setTimeout`，其回调函数被分发到宏任务Event Queue中。我们暂且记为`setTimeout1`。
 *  遇到`process.nextTick()`，其回调函数被分发到微任务Event Queue中。我们记为`process1`。
 *  遇到`Promise`，`new Promise`直接执行，输出7。`then`被分发到微任务Event Queue中。我们记为`then1`。
 *  又遇到了`setTimeout`，其回调函数被分发到宏任务Event Queue中，我们记为`setTimeout2`。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>宏任务Event Queue</th> 
   <th>微任务Event Queue</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>setTimeout1</td> 
   <td>process1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>setTimeout2</td> 
   <td>then1</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  上表是第一轮事件循环宏任务结束时各Event Queue的情况，此时已经输出了1和7。
 *  我们发现了`process1`和`then1`两个微任务。
 *  执行`process1`,输出6。
 *  执行`then1`，输出8。

好了，第一轮事件循环正式结束，这一轮的结果是输出1，7，6，8。那么第二轮时间循环从`setTimeout1`宏任务开始：

*  首先输出2。接下来遇到了`process.nextTick()`，同样将其分发到微任务Event Queue中，记为`process2`。`new Promise`立即执行输出4，`then`也分发到微任务Event Queue中，记为`then2`。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>宏任务Event Queue</th> 
   <th>微任务Event Queue</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>setTimeout2</td> 
   <td>process2</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td>then2</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  第二轮事件循环宏任务结束，我们发现有`process2`和`then2`两个微任务可以执行。
 *  输出3。
 *  输出5。
 *  第二轮事件循环结束，第二轮输出2，4，3，5。
 *  第三轮事件循环开始，此时只剩setTimeout2了，执行。
 *  直接输出9。
 *  将`process.nextTick()`分发到微任务Event Queue中。记为`process3`。
 *  直接执行`new Promise`，输出11。
 *  将`then`分发到微任务Event Queue中，记为`then3`。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>宏任务Event Queue</th> 
   <th>微任务Event Queue</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td>process3</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td>then3</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  第三轮事件循环宏任务执行结束，执行两个微任务`process3`和`then3`。
 *  输出10。
 *  输出12。
 *  第三轮事件循环结束，第三轮输出9，11，10，12。

整段代码，共进行了三次事件循环，完整的输出为1，7，6，8，2，4，3，5，9，11，10，12。  
(请注意，node环境下的事件监听依赖libuv与前端环境不完全相同，输出顺序可能会有误差)

[JavaScript]: http://blog.csdn.net/amos_liu/article/details/53560434
[10_JS]: https://segmentfault.com/a/1190000012806637
[JavaScript _Event Loop]: http://www.cnblogs.com/MasterYao/p/5563725.html
[javascript]: http://www.cnblogs.com/intangible/p/8066979.html
[format_png]: /images/20220529/31da8e0c9ac442439ad7be332e411082.png
[libuv]: https://github.com/joyent/libuv
[process.nextTick]: http://nodejs.org/docs/latest/api/process.html#process_process_nexttick_callback
[setImmediate]: http://nodejs.org/docs/latest/api/timers.html#timers_setimmediate_callback_arg
[format_png 1]: /images/20220529/67d48ceb88cf4f44acceab7029fc5131.png